Храм построен в честь преподобного Сергия Радонежского, благословившего русских воинов на победу в Куликовской битве.

Еще в 1821—1824 годах генерал-губернатор А.Д. Балашов хотел создать на Куликовом поле (на площади в 100 десятин) мемориальный комплекс, в составе которого был бы и храм во имя Сергия Радонежского. Позже архитектор А.П. Брюллов в своем первоначальном проекте, одобренном Николаем I в 1836 году, тоже имел в виду сооружение такой святыни. Однако при повторном рассмотрении проекта (1845) и принятии решения о его реализации император повелел упростить проект, оставив только мемориальную колонну — памятник Дмитрию Донскому.

Вопрос о возведении храма преподобного Сергия на Куликовом поле возбудили в начале следующего века тульское духовенство и дворянство. В 1902 году епифанский помещик граф А.В. Олсуфьев пожертвовал около 40 десятин земли под строительство. Спустя два года епископ Питирим, окормлявший Тульскую епархию, просил одобрения Синода и царя Николая II на сооружение храма и получил его, да ещё от императора личный взнос на храм Сергия в 5 тысяч рублей золотом.

Проект храма взялся выполнить знаменитый архитектор Алексей Васильевич Щусев. Строительный комитет возглавил Юрий Александрович Олсуфьев — граф, бескорыстный и мужественный охранитель от разграбления в годы советской власти культурно-исторических ценностей Троице-Сергиевой лавры и Московского Кремля, погибший безвестно в 1937 или 1939 году в Соловецком лагере (его жена и помощница в благих делах погибла в 1942 году в саратовской тюрьме).

Архитектор Щусев долго работает над проектом храма. Первоначальный вариант (1906) он частично перерабатывает, придя к окончательному решению всех деталей лишь в 1911 году. Заложен храм 16 (29) июня 1913 года.

«Замечательный зодчий — пишет В.Н. Ашурков, — отразил героическую победу русского народа над полчищами Мамая в ярком национально-архитектурном образе созданного им храма. Смелое соединение элементов церковной архитектуры с формами крепостного зодчества делает образ мемориального здания очень своеобразным и одновременно близким национальной традиции, так как план его восходит к некоторым древним русским храмам. Трёхчастная композиция здания образно как бы перекликалась с композицией картины В.М. Васнецова «Богатыри» (1898 г.).

Здание состоит из трёх объёмов — двух боковых башен и собственно церкви с возвышающимися над ними куполами. Каждой из башен в окончательном варианте проекта давалась индивидуальная трактовка. В письме хранителю Русского музея П.И. Нерадовскому Щусев писал: «Что касается Куликовской церкви, то она выходит по архитектуре очень хорошо. Я изменил верх второй башни, вместо купола — шлем... Оставить обе башни одинаковыми это ложно-классично, робко...». Различные пропорции башен, особые очертания их крыш, похожих на воинские шлемы, были навеяны образами русского былинного эпоса и напоминали о древних богатырях — героях битвы, о героизме и стойкости самого русского народа, много лет назад грудью отстоявшего Родину здесь, на просторах поля Куликова...».

Осенью 1914 года строительно-монтажные работы по возведению храма были в основном закончены. В годы первой мировой войны они хоть и замедлились, но всё-таки к 1917 году храм достроили, не успев однако оформить его внутреннее убранство, как намечалось проектом. В 1918 году храм Сергия Радонежского был взят под так называемую «охрану государства». Церковная служба на Куликовом поле свершалась вплоть до 1940 года, когда храм окончательно закрыли, чтобы устроить в нем выставку, посвященную 560-летию Куликовской битвы. Последним настоятелем храма был священник Отрадинский Алексей Николаевич. Жители окрестных деревень, живые свидетели тех лет, рассказывают, что до 1941 года храм был ещё более или менее целым, хотя его, конечно, никто не охранял. И фашисты его не разрушали, так как на Куликово поле нога немецкого солдата не ступала.

Разорение Куликовской святыни начали красноармейцы тыловых частей с того, что сдирали с крыши медные (в один миллиметр) листы кровли и меняли их на самогонку у крестьян. Таким же путём исчезали из храма плиты пола. После ухода из района Поля воинских частей начатую поруху довершили колхозники. При желании ещё и сегодня храмовую медь и плиты можно отыскать в подворьях селян.

К началу реконструкции одно из лучших творений зодчего Щусева оказалось в более чем плачевном состоянии. Власти, отдавшие храм на волю ветрам и дождям, на поруху развращённым обобществлением людям, опомнились к 600-летию битвы и провели масштабные и дорогостоящие ремонтно-восстановительные и строительные работы по созданию вполне благопристойного музейного комплекса, центральное место в котором занимает храм преподобного Сергия.

В 1992 году, после полувекового перерыва, в храме вновь зазвучал голос священника, совершающего Божественную литургию.